Вплив охолодження надувного повітря
Головне меню
Суднові двигуни
Зростання температури повітря чи заряду в компресорі залежить від рівня підвищення тиску, к. п. буд. компресора і теплообміну зі стінками, т. е. від конструкції компресора. При високих ступенях підвищення тиску температура на впуск двигуна може приймати високі значення (якщо не застосовується охолодження наддувного повітря), що негативно впливає на двигун з двох точок зору.
1. Для наповнення циліндра визначальною є щільність заряду на впуску
З наведеного виразу видно, підвищення щільності за певних умов може бути значно менше, ніж підвищення тиску; тільки у разі ізоентропійного стиску при n = 1 відношення щільностей дорівнює відношенню тисків.
2. З підвищенням температури наддувного повітря значно зростає термічна напруженість двигуна, так як загальний температурний рівень робочого циклу залежить від температури початку стиснення в циліндрі, тобто насамперед від температури повітря на впуску.
Тому на двигунах з наддувом охолодження наддувного повітря, яке було запропоновано ще Рудольфом Дизелем, є найважливішим і найпростішим засобом збільшення потужності, яке тим ефективніше, чим вищий рівень підвищення тиску в компресорі. Поряд із зменшенням втрат теплоти та покращенням механічного к. п. д. (вища потужність без підвищення рівня тиску) охолодження наддувного повітря сприяє також зниженню питомої витрати палива. З табл. 7.1 видно, як змінюється температура повітря в компресорі лопаткового типу (тепловідведення в компресорі нехтуємо) в залежності від температури повітря, що всмоктується, к. п. д. компресора і ступеня підвищення тиску; на рис. 7.6 наведено відповіднітемператури на виході із компресора.
Якщо вода, що використовується як охолодна рідина, має температуру навколишнього середовища, то охолодження наддувного повітря вигідно застосовувати вже при ступенях підвищення тиску 1,5: 1; при ступенях підвищення тиску, що перевищують 2,0, враховуючи термічну напруженість двигуна та пов'язану з нею експлуатаційну надійність, застосування охолодження наддувного повітря є необхідним.
Використання води в якості охолоджуючого середовища для охолоджувача наддувного повітря в більшості випадків дозволяє без надто високих витрат здійснювати охолодження повітря до температурного рівня, що лише на кілька градусів перевищує середню температуру води. У табл. 7.2 показані результати вимірювань температур води та повітря, а також відведених кількостей теплоти на деяких дизелях з наддувом.
Як випливає з табл. 7.2 температура повітря за охолоджувачем лише на кілька градусів вище (див. рядки 6 і 11, особливо графи 3 і 6), ніж температура води на вході в нього. При цьому вода, як правило, підводиться потоком, що перехрещується, по відношенню до повітря, так що температура повітря на виході наближається до температури води на виході. Крім того, із значень температури, зазначених у графах 4 і 5 таблиці, можна зробити висновок, що охолоджувач наддувного повітря у наведеного тут середньооборотного суднового дизеля менше, ніж у двох інших двигунів. Зрозуміло, у своїй слід пам'ятати, що з високих ступенях підвищення тиску часто навмисне обмежують охолодження наддувного повітря, беручи до уваги неприпустимість досягнення температури точки роси. Зазначимо вже тут, що застосування повітря як охолодне середовище також дозволяє здійснюватиохолодження наддувного повітря до температур, приблизно на 15° перевищують температуру навколишнього середовища. У роботі вказується на зростання переваг використання охолодження наддувного повітря типу «повітря/повітря» на автомобільних двигунах при застосуванні нової технології обробки легких металів.
Як показує досвід, величину кількості теплоти, що відводиться в охолоджувачі наддувного повітря, зменшується відведення теплоти через стінки циліндра. Іноді теплота, що забирається охолоджувачем наддувного повітря, за високого ступеня наддуву навіть більша, ніж теплота, що відводиться через деталі, що утворюють камеру згоряння (табл. 7.2, рядки 13 і 14, графи 4 і 5). Сума цих величин у різних двигунів з наддувом та охолодженням наддувного повітря відрізняється мало (див. рядок 15). Це важливо при аналізі витрат на охолоджувач. Природно, загальні витрати на охолодження у двигуна з охолодженням наддувного повітря будуть більшими, оскільки він має велику потужність і охолоджувач для забезпечення низьких температур наддувного повітря повинен працювати при нижчій різниці температур між охолоджуючим середовищем і повітрям на виході з охолоджувача; проте витрати не настільки вищі, як це можна було б припустити, виходячи тільки з кількості теплоти, що відводиться за допомогою охолоджувача.
Орієнтовно вважатимуться, що з рівному тиску наддуву і зниження температури наддувного повітря на 10° З збільшення щільності повітря становить близько 3%. Завдяки цьому можна при постійному коефіцієнті надлишку повітря та постійній питомій витраті палива підвищити потужність на 3%. Але так як при нижчій температурі питома витрата палива покращується (емпірично знайдені значення становлять приблизно 0,5% на 10° З зниження температури), топідвищення потужності за того ж коефіцієнта надлишку повітря становитиме навіть близько 3,5%. Для незмінної термічної напруженості, що залишається (характеризується температурою деталей, що утворюють камеру згоряння) іноді завдяки зниженню температури наддувного повітря можливе навіть ще більше підвищення потужності, ніж це відповідає постійному коефіцієнту надлишку повітря. Так, наприклад, з вимірювань температури поршня на одноциліндровому досвідченому двигуні в залежності від температури повітря на впуску при рівній потужності, з одного боку, і в залежності від потужності при рівній температурі на впуску, з іншого боку, випливає [7.6], що з пониженням температури повітря на 10° З можливе збільшення потужності на 5% за рівної температури поршня.
Вплив температури наддувного повітря на теплову напруженість та питома витрата палива можна з великою ймовірністю передбачити на основі розрахунку робочого циклу. У табл. 7.3 наведено результати розрахунків, виконаних фірмою MAN (м. Аугсбург), у яких визначено зміну деяких експлуатаційних параметрів середньооборотного дизеля з наддувом та охолодженням наддувного повітря при підвищенні температури повітря на впуску (обумовленому підвищенням температури атмосферного повітря або зменшенням тепловідведення в охолоджувачі) 40° С. Початкова потужність відповідала середньому ефективному тиску 17,6 бар та частоті обертання 430 об/хв. Зі змінних величин, що включають теплоту, підведену з паливом Q топ , еквівалентний переріз турбіни F т екв ; тиск повітря на впуску двигуна р вп; кількість теплоти, що відводиться через стінки Q ст як масштаб для визначення термічної напруженості, у кожному випадку постійними підтримувалися дві.
Найбільш цікавими у зв'язку з цимє значення, наведені у графі 6, які завдяки відповідному підбору F т екв і Q топ вибиралися так, щоб тиск наддуву р вп і теплота, що відводиться через стінки, Q ст залишалися постійними. З таблиці видно, що при прийнятих припущеннях більш високої (на 40 ° С) температурі наддувного повітря відповідає середній ефективний тиск, менший на 14,7%, і к. п. д., менший на 2%.
Таким чином, зниження температури наддувного повітря па 10" С супроводжувалося підвищенням ефективної потужності па 3,7% і ефективного к. п. д. на 0,5%, що добре збігається з досвідченими даними.
Відповідно до графи 5, при розрахунку якої F т екв приймалася постійною (відповідно змінювався тиск наддуву р вп ), при сталості теплоти, що відводиться через стінки Q ст, на кожні 10 ° С зміни температури повітря на впуску двигуна доводиться зміна потужності на 4,2% .
З цих нечисленних прикладів, число яких легко могло бути збільшено, представляється досить обгрунтованим висновок про те, що охолодження наддувного повітря за рівних умов обмеження навантаження дозволяє забезпечити значно більший ступінь наддуву і є найбільш ефективним і дешевим способом збільшення потужності двигунів з наддувом. До цього слід додати ще й те, що охолодження наддувного повітря сприяє зменшенню вмісту шкідливих компонентів у випускних газах двигунів.